龍馬溪組頁巖氣復(fù)電阻率勘探的理論依據(jù)

趙迪斐，郭英海，朱炎銘，毛瀟瀟，曹　磊，冶正陽，郭曉宇

(1.中國礦業(yè)大學(xué)(徐州)資源與地球科學(xué)學(xué)院，江蘇徐州 221116；2. 煤層氣資源與成藏過程教育部重點實驗室，江蘇徐州221008)

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龍馬溪組頁巖氣復(fù)電阻率勘探的理論依據(jù)

趙迪斐1,2，郭英海1,2，朱炎銘1,2，毛瀟瀟1，曹磊1,2，冶正陽1,2，郭曉宇1,2

(1.中國礦業(yè)大學(xué)(徐州)資源與地球科學(xué)學(xué)院，江蘇徐州 221116；2. 煤層氣資源與成藏過程教育部重點實驗室，江蘇徐州221008)

摘要：對龍馬溪組頁巖儲層特征和復(fù)電阻率特征進行總結(jié)，基于實驗數(shù)據(jù)與前人研究成果綜合分析龍馬溪組黃鐵礦與TOC和優(yōu)質(zhì)儲層的相關(guān)關(guān)系。結(jié)果表明，龍馬溪組頁巖儲層普遍含有黃鐵礦，使儲層極化特征增強，是復(fù)電阻率勘探應(yīng)用的基礎(chǔ)。龍馬溪組頁巖黃鐵礦與TOC、TOC與含氣性、黃鐵礦與含氣性均顯示具有較好的正相關(guān)關(guān)系，下部優(yōu)質(zhì)頁巖儲層具有高TOC、高黃鐵礦含量、含氣性好的特點，與上部儲層相比具有更好的極化特征。莓狀黃鐵礦內(nèi)部發(fā)育大量有機質(zhì)納米孔，周緣孔隙發(fā)育較好，與有機質(zhì)有成因聯(lián)系。復(fù)電阻率法在埋藏深度大、地表形貌復(fù)雜、高阻地層發(fā)育的四川盆地頁巖氣勘探中具有探測埋藏深度大、分辨率高、成本低等優(yōu)勢，值得大力研究推廣。

關(guān)健詞：頁巖氣；復(fù)電阻率法；龍馬溪組；黃鐵礦；優(yōu)質(zhì)儲層

頁巖氣是中國重要的非常規(guī)能源，自美國成功開展頁巖氣商業(yè)開發(fā)以來，全球掀起了頁巖氣研究和勘探的熱潮。中國頁巖氣資源潛力巨大，頁巖氣開發(fā)對保障中國能源安全具有重要意義[1-3]。目前中國頁巖氣勘探開發(fā)取得了較大的進展，在四川盆地涪陵焦石壩等地區(qū)已實現(xiàn)了商業(yè)化開采[4-5]，各種新理論、新技術(shù)也都得到了充分的利用。地球物理技術(shù)作為頁巖氣儲層評價和增產(chǎn)改造的關(guān)鍵技術(shù)，將在頁巖氣勘探開發(fā)中發(fā)揮更加重要的作用，是評價頁巖氣關(guān)鍵地質(zhì)要素的有效手段[6]。

目前，地球物理技術(shù)在頁巖氣勘探開發(fā)中的應(yīng)用主要包括：①利用地震資料進行頁巖氣儲層識別預(yù)測、資源評價和區(qū)域優(yōu)選[7-8]；②頁巖氣儲層的測井識別和評價[9-10]；③微地震壓裂監(jiān)測等其他應(yīng)用[11]。但地震勘探、測井等技術(shù)尚不能完全滿足頁巖氣勘探開發(fā)的需要，地震勘探主要獲取頁巖儲層的厚度、展布等信息，不能進一步尋找頁巖氣優(yōu)質(zhì)儲層，在構(gòu)造及地形復(fù)雜的川東、川南等地區(qū)受到一定限制；鉆孔測井可以提供豐富的儲層信息，但其依賴于鉆孔，控制范圍有限[12]。檢驗電法勘探技術(shù)在頁巖氣勘探中的有效性，是當前頁巖氣勘探起步階段亟待解決的重要問題之一[13]。

復(fù)電阻率勘探(Complex Resistivity, CR)又稱頻譜激電法，由美國Zonge公司于1972年提出，是一種新型頻率域電偶源地面物探方法，實現(xiàn)了從總響應(yīng)中分離激電響應(yīng)，目前常應(yīng)用于有利油氣區(qū)帶圈定、圈閉含油氣性評價等[14-15]。龍馬溪組頁巖是中國最重要的頁巖氣地層，但四川盆地地表條件復(fù)雜、高阻碳酸鹽巖層發(fā)育、頁巖埋藏深度大，常規(guī)地球物理手段的效果受到影響；而復(fù)電阻率法不受高阻地層屏蔽，可勘探深度大，適合在地形復(fù)雜區(qū)實施，具有獨特優(yōu)勢[16]。前人對頁巖復(fù)電阻率特性進行了研究，認為黃鐵礦是引起頁巖較強激電效應(yīng)的原因[17-19]，但黃鐵礦含量變化與總有機碳含量(TOC)是否具有相關(guān)性、黃鐵礦與有機質(zhì)含量之間的關(guān)系、復(fù)電阻率在龍馬溪組頁巖氣勘探中應(yīng)用的理論基礎(chǔ)等問題尚未有確切答案。本文對龍馬溪組頁巖儲層特征及復(fù)電阻率特性進行總結(jié)，基于龍馬溪組下部優(yōu)質(zhì)儲層與黃鐵礦、TOC的相關(guān)性論證復(fù)電阻率法在龍馬溪組頁巖儲層勘探中應(yīng)用的理論依據(jù)。

1 龍馬溪組頁巖儲層特征

四川盆地龍馬溪組分布廣泛，與下伏五峰組共同構(gòu)成優(yōu)質(zhì)的頁巖氣儲層。龍馬溪組頁巖埋藏深度為700～6000m，厚度為70～900m，TOC為0.2%～6.0%，Ro為2.4%～3.6%，達到高成熟—過成熟階段，干酪根類型以II型為主，滲透率不均一，孔隙度、滲透率均極低[20]，川南地區(qū)頁巖含氣量最高可達0.25m3/t，平均含氣量為0.15m3/t[21]。

根據(jù)儲層物性，四川盆地龍馬溪組一般分為上、下兩段。下段頁巖TOC更高、脆性更好、厚度適宜，是已得到勘探開發(fā)驗證的優(yōu)質(zhì)頁巖儲層[22]。龍馬溪組優(yōu)質(zhì)頁巖儲層的分布主要受控于沉積環(huán)境，龍馬溪組沉積于中國南方擠壓最強烈的地質(zhì)歷史時期，早期為泥質(zhì)深水陸棚沉積環(huán)境，晚期深水陸棚區(qū)減少，形成泥質(zhì)深—淺水陸棚、泥砂質(zhì)—砂質(zhì)—灰質(zhì)淺水陸棚及臺地邊緣相共存的沉積格局[23-24]，在不同的沉積相控制下，龍馬溪組頁巖儲層內(nèi)部特征具有顯著差異。

龍馬溪組頁巖儲層礦物組分主要包括脆性礦物與黏土礦物兩大類，此外還普遍含有黃鐵礦。黃鐵礦整體顯示出一定的變化規(guī)律，底部、下部頁巖儲層含有更多的黃鐵礦，上部頁巖黃鐵礦平均含量低于下部頁巖[22]。以渝東南地區(qū)龍馬溪組樣品為例，X射線衍射(XRD)定量測試顯示(表1)，龍馬溪組頁巖樣品中黏土礦物含量最高，主要為伊利石、綠泥石、蒙皂石、伊/蒙混層等；其次為石英，還含有少量方解石、長石等礦物。黃鐵礦含量為1.6%～7.6%，下部儲層平均約為4.1%。野外剖面觀測顯示，下部頁巖儲層中黃鐵礦常以層理狀、結(jié)核狀、自形晶狀等形貌產(chǎn)出(圖1a)，有的充填裂縫(圖1b、c)，上部頁巖黃鐵礦較少。鏡下觀測顯示，龍馬溪組頁巖基質(zhì)中黃鐵礦主要有聚莓狀(圖1d)、單莓狀、自形晶狀(圖1e)等多種形態(tài)，其中基質(zhì)中聚莓狀黃鐵礦最為發(fā)育(圖1f)，偶見自形晶狀黃鐵礦，單莓狀黃鐵礦發(fā)育較少。

表1　渝東南地區(qū)龍馬溪組頁巖礦物組分含量表

2 龍馬溪組頁巖儲層復(fù)電阻率特性

龍馬溪組頁巖儲層礦物組分主要是石英、方解石等脆性礦物和伊利石、綠泥石等黏土礦物，還普遍含有黃鐵礦，黃鐵礦作為金屬礦物對頁巖儲層導(dǎo)電性的增加和電極化異常的顯現(xiàn)有重要影響，其他成分影響則較小。頁巖礦物成分及其含量對其電性影響很大[19]，龍馬溪組頁巖黏土礦物含量較高，經(jīng)歷了深埋過程和復(fù)雜的成巖作用，頁巖儲層孔隙度、電導(dǎo)率較低，降低了激發(fā)極化效應(yīng)。

李鵬飛等[17]研究認為，富有機質(zhì)頁巖樣品的復(fù)電阻率具有較強的頻散特性，表現(xiàn)為極化率參數(shù)的異常；龍馬溪組底部頁巖具有低電阻率、高極化率的特征，極化率平均達到21.7%，是不含黃鐵礦頁巖的兩倍多，且頁巖TOC與極化率具有對應(yīng)關(guān)系，龍馬溪組底部高TOC頁巖極化率也比其他層段更高。向葵等[19]研究了龍馬溪組頁巖的頻散特性，認為龍馬溪組為低電阻率、中高極化層。綜上所述，電阻率相對較低、極化率相對較高是龍馬溪組頁巖重要的復(fù)電阻率特征。

3 龍馬溪組復(fù)電阻率優(yōu)質(zhì)儲層勘探

頁巖常與相鄰地層有電阻率上的差異，含氣頁巖體現(xiàn)為高電阻率和高極化率特征，不含氣則表現(xiàn)為低電阻率、低極化率特征。若頁巖含有黃鐵礦，則其極化特征更明顯，黃鐵礦是頁巖產(chǎn)生較強激發(fā)極化效應(yīng)的原因[17]，使應(yīng)用復(fù)電阻率勘探頁巖氣儲層成為可能。論證黃鐵礦含量與頁巖的關(guān)系，是利用復(fù)電阻率進行優(yōu)質(zhì)頁巖儲層勘探的理論基礎(chǔ)。

3.1 黃鐵礦與TOC相關(guān)性

前人研究結(jié)果顯示，龍馬溪組下部頁巖具有含量相對較高的黃鐵礦，底部最為顯著(圖2)。頁巖TOC與黃鐵礦含量變化規(guī)律相似，底部較高，向上減少。黔淺1井、酉淺1井綜合柱狀圖也反映出黃鐵礦與含氣量具有較好的相關(guān)性[28]。黃鐵礦與TOC的相關(guān)性在大量研究成果中得到了驗證[25-29]，由圖3的數(shù)據(jù)顯示，龍馬溪組頁巖黃鐵礦與TOC相關(guān)系數(shù)R2為0.3～0.7，說明二者具有一定相關(guān)性，黃鐵礦與有機質(zhì)可能具有成因聯(lián)系，黃鐵礦含量可以在一定程度上預(yù)測TOC的變化，與前人微黃鐵礦顆?？赡芘c深水條件下有機質(zhì)富集有因果關(guān)系的觀點一致[20]。

3.2 富TOC儲層與含氣性的關(guān)系

研究表明，頁巖TOC、有機質(zhì)類型及成熟度、厚度和礦物組成等是評價頁巖含氣性的主要指標，其中 TOC是最重要的指標，對頁巖含氣性影響顯著[29-32]。TOC與頁巖含氣性具有較好的正相關(guān)關(guān)系[25]，這是因為TOC越高，儲層比表面積越高，越有利于頁巖氣儲集。尋找富有機碳的優(yōu)質(zhì)頁巖儲層是頁巖氣勘探的重要任務(wù)。

3.3 黃鐵礦與頁巖含氣性的關(guān)系

黃鐵礦與頁巖含氣性也具有正相關(guān)關(guān)系。通過氬離子拋光—場發(fā)射掃描電鏡、薄片觀測、液氮吸附、能譜等測試，認為二者具有相關(guān)性的原因并非在于莓狀黃鐵礦的吸附性，而是在于以下3點：①莓狀黃鐵礦微晶間充填有機質(zhì)，有機質(zhì)內(nèi)部發(fā)育大量納米級孔隙(圖4)，面孔率顯著高于除有機質(zhì)顆粒外的其他組分，對儲層孔隙系統(tǒng)為正貢獻；②莓狀黃鐵礦周緣被證實發(fā)育有較好的孔隙(圖4)；③黃鐵礦與有機質(zhì)有成因聯(lián)系，富黃鐵礦層段有機質(zhì)含量高，提供大量有機質(zhì)納米孔隙，使頁巖儲集能力增強。

4 頁巖復(fù)電阻率勘探前景

四川盆地頁巖氣勘探開發(fā)取得了顯著成果，地球物理手段的應(yīng)用有利于頁巖氣勘探開發(fā)的進一步發(fā)展。四川盆地龍馬溪組地面地球物理勘探面臨一系列困難，其中地表地形復(fù)雜對地球物理勘探施工有嚴重影響。四川盆地東南部是目前頁巖氣勘探開發(fā)的核心區(qū)域，但其地形以山地為主，不利于大型工程的開展；高阻碳酸鹽巖地層發(fā)育，對地震彈性波傳遞非常不利；加之龍馬溪組頁巖埋藏深度較大，難以獲取深層地層可靠信息。

復(fù)電阻率勘探通過探究復(fù)視電阻率的形態(tài)特征與地下極化體之間的關(guān)系反演得到地下極化體異常規(guī)模等參數(shù)，可為勘探設(shè)計提供依據(jù)。復(fù)電阻率法在四川盆地龍馬溪組頁巖氣勘探中優(yōu)勢明顯，工程上具有勘探成本低、周期短、見效快的優(yōu)點，適用于較為復(fù)雜的地形；可以實現(xiàn)較大埋深范圍內(nèi)的高分辨率電阻率成像，對低電阻層分辨率高；在空間域與頻率域的高密度測量可以獲取更加豐富的地質(zhì)信息；通過調(diào)整裝置系數(shù)和偶極距等可以進行不同埋深地層的勘探[28]。頁巖氣儲層埋深大展布復(fù)雜[34-35]，地球物理方法在頁巖氣勘探中大有可為[36]，復(fù)電阻率法也在四川盆地頁巖氣勘探中具有廣闊前景。

5 結(jié)論

(1)龍馬溪組頁巖儲層普遍含有黃鐵礦，使儲層極性特征增強，有利于復(fù)電阻率勘探的應(yīng)用；龍馬溪組下部頁巖黃鐵礦含量、有機質(zhì)含量高于上部頁巖，具有更強的極性。

(2)龍馬溪組頁巖黃鐵礦與TOC、TOC與含氣性、黃鐵礦與含氣性均具有較好的正相關(guān)關(guān)系，使依據(jù)黃鐵礦含量預(yù)測TOC的變化成為可能，是龍馬溪組應(yīng)用復(fù)電阻率勘探的理論基礎(chǔ)；黃鐵礦與含氣性具有相關(guān)性的原因在于莓狀黃鐵礦內(nèi)部發(fā)育大量有機質(zhì)納米孔隙、周緣孔隙發(fā)育較好，并與有機質(zhì)有成因聯(lián)系，使富黃鐵礦層段含氣性更好。

(3)復(fù)電阻率法在頁巖埋藏深度大、地表形貌復(fù)雜、高電阻地層發(fā)育的四川盆地頁巖氣勘探中具有獨特優(yōu)勢，值得大力發(fā)展。

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The Theoretical Basis of Shale Gas Exploration with Complex Resistivity in Longmaxi Formation

Zhao Difei1,2，Guo Yinghai1,2，Zhu Yanming1,2，Mao Xiaoxiao1，Cao Lei1,2，Ye Zhengyang1,2，Guo Xiaoyu1,2

(1. School of Resources and Earth Science, China University of Mining and Technology, Xuzhou, Jiangsu 221116, China;2.KeyLaboratoryofCoalbedMethaneResourcesandReservoirFormationProcess,theMinistryofEducation,ChinaUniversityofMiningandTechnology,Xuzhou,Jiangsu221008,China)

Abstract:The characteristics of Longmaxi shale reservoir and complex resistivity were summarized based on the experimental data and previous research reaults to analyze the correlation among pyrite, TOC and excellent pay zone.Results showed that Longmaxi shale reservoirs generally contained pyrite, which enhanced the polarity of reservoir, and can be taken as the basis of shale gas exploration by using complex resistivity.The better positive correlation has been showed in Longmaxi formation between pyrite and TOC, TOC and gas content, pyrite and gas content mutually. Lower quality shale reservoir featured with high TOC, high pyrite content and good gas content, possessing better polarization characteristics compared with the upper reservoir.A large number of organoc nano holes developed in framboidal pyrite, and the surrounding holes were well developed, which should be related to the organic matters. Complex resistivity has advantage of deep depth detection, high resolution and low cost etc.in the exploration of shale gas in Sichuan basin where has deep reservoir depth, complex surface topography, developed high resistance strata, it is worthy of being studied and promoted vigorously.

Key words:Shale gas; Complex resistivity; Longmaxi formaton; Pyrite; high quality reservoir

基金項目：國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃(973)(2012CB214702); 煤層氣資源與成藏過程教育部重點實驗室(中國礦業(yè)大學(xué))開放基金(2015-007); 中國礦業(yè)大學(xué)大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練(201560)。

第一作者簡介：趙迪斐(1991年生)，博士，研究方向為非常規(guī)油氣地質(zhì)學(xué)。郵箱：diffidiffi@126.com。

中圖分類號：TE122

文獻標識碼:A